(57)【要約】  本発明は、ＧａＮ系化合物半導体を用いた高出力半導体素子の放熱用基板に適合するように、低い熱膨張率と、高い熱伝導度とを備えた放熱板材に関する。  本発明による放熱板材は、コア層と、前記コア層の上、下面に積層して形成された２つのカバー層とを含んでなる高出力素子用放熱板材であって、前記コア層は、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に炭素相が複合化された複合材料からなり、前記カバー層は、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層と、前記コア層の上、下面に積層して形成された２つのカバー層とを含んでなる高出力素子用放熱板材であって、
前記コア層は、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に炭素相が複合化された複合材料からなり、
前記カバー層は、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなり、
前記高出力素子用放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ以上であり、その垂直な方向の熱膨張係数は、９×１０−６／Ｋ以下である、高出力素子用放熱板材。
【請求項２】
前記カバー層は、２層以上の積層構造からなり、
前記コア層に隣接して形成される第１の層は、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなり、
前記コア層に接していない第１の層上に形成される第２の層は、Ｃｕからなる、請求項１に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項３】
前記コア層において、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）と炭素相の間の界面の少なくとも一部には、Ｃｕ−Ｃの拡散領域が１〜３０ｎｍの厚さで形成されており、
前記高出力素子用放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１または２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項４】
前記第２の層のＣｕは、Ｃｕ純金属またはＣｕ以外の合金元素を２０重量％以下で含むＣｕ合金からなる、請求項２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項５】
前記コア層において、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）と炭素相の間の界面の少なくとも一部には、Ｃｕ−Ｃの拡散領域が５〜２０ｎｍの厚さで形成されている、請求項１または２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項６】
前記炭素相は、黒鉛、ダイヤモンド、グラフェン、またはダイヤモンドライクフィルム（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｆｉｌｍ）を含む、請求項１または２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項７】
前記コア層の厚さは、全放熱板材の厚さの６０〜９０％である、請求項１または２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項８】
前記第１の層の厚さは、全放熱板材の厚さの５〜１０％以下で構成されている、請求項２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項９】
前記Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に炭素相が複合化された複合材料のうち、前記炭素相の比率は、全複合材料の体積中４０〜７０％である、請求項１または２に記載の高出力素子用放熱板材。
【請求項１０】
前記Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に複合化された炭素相は、その長手方向が前記高出力素子用放熱板材の厚さ方向に平行に配向されている、請求項１または２に記載の高出力素子用放熱板材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱板材に関し、より詳細には、化合物半導体を用いた高出力半導体素子のパッケージング用として適合することができる放熱板材であって、アルミナのようなセラミックス素材と接合しても良好な接合が可能となるように、セラミックス素材と同一または類似した熱膨張係数を有し、同時に高出力素子において発生する多量の熱を速やかに外部に排出可能な高い熱伝導度を得ることができる放熱板材に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、情報通信および国防分野の核心技術として、ＧａＮ系化合物半導体を用いた高出力増幅素子が注目されている。
【０００３】
このような高出力電子素子や光素子においては、一般素子に比べて多くの熱が発生し、このように発生した多量の熱を効率的に排出することができるパッケージング技術が必要である。
【０００４】
現在、ＧａＮ系化合物半導体を活用した高出力半導体素子には、Ｗ／Ｃｕの２層複合素材、ＣｕとＭｏの２相（ｐｈａｓｅ）複合素材、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕの３層複合素材、Ｃｕ／Ｃｕ−Ｍｏ合金／Ｃｕの３層複合素材のように、比較的良好な熱伝導度と低い熱膨張係数とを有する金属基複合材料が用いられている。
【０００５】
ところで、これらの複合材料の熱伝導度は、最大に２５０Ｗ／ｍＫ程度であり、数百ワット級のパワートランジスタで要求される３００Ｗ／ｍＫ以上（より好ましくは、３５０Ｗ／ｍＫ以上）の高い熱伝導度を達成できていないので、数百ワット級のパワートランジスタのような素子には適用し難いという問題がある。
【０００６】
また、半導体素子を製造する工程では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のようなセラミックス素材とのろう付け接合工程が必須的であり、このようなろう付け接合工程は、約８００℃以上の高温で行われるため、前記金属複合体基板とセラミックス素材の間の熱膨張係数の差により、ろう付け接合過程において撓みや破損が発生し、このような撓みや破損が発生して素子の不良を誘発するという問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためのものであって、板材の面方向に９×１０−６／Ｋ以下の低い熱膨張係数を有し、セラミックス材料（特にアルミナ）との接合時に撓みや破損が発生しないだけでなく、板材の厚さ方向に３００Ｗ／ｍＫ以上（より好ましくは、３５０Ｗ／ｍＫ以上）の高い熱伝導度を具現することができるため、数百ワット級のパワートランジスタのような高出力素子に適合する放熱板材を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、コア層と、前記コア層の上、下面に積層して形成された２つのカバー層とを含んでなる高出力素子用放熱板材であって、前記コア層は、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に炭素相が複合化された複合材料からなり、前記カバー層は、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなり、前記高出力素子用放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ以上であり、その垂直な方向の熱膨張係数は、９×１０−６／Ｋ以下である、高出力素子用放熱板材を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による高出力素子用放熱板材は、板材の面方向に９×１０−６／Ｋ以下の低い熱膨張係数を具現するとともに、板材の厚さ方向には３００Ｗ／ｍＫ以上、より好ましい実施例の場合、３５０Ｗ／ｍＫ以上の高い熱伝導度を得ることができるため、アルミナのように熱膨張係数の低いセラミックス材料との接合が要求される高出力半導体素子の放熱用基板に適合する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１によって製造した放熱板材の厚さ方向の断面構造を概略的に示した図である。
【図２】本発明の実施例２によって製造した放熱板材の厚さ方向の断面構造を概略的に示した図である。
【図３】本発明で用いる黒鉛粉末の走査電子顕微鏡像である。
【図４】本発明の実施例１によって製造した放熱板材の厚さ方向の断面に対する走査電子顕微鏡像である。
【図５】放熱板材のうち、Ｃｕ−黒鉛複合相の拡大像である。
【図６】本発明の実施例１によって製造した放熱板材のＣｕ−黒鉛複合相の界面に対する透過電子顕微鏡像である。
【図７】本発明の実施例２によって製造した放熱板材の厚さ方向の断面に対する走査電子顕微鏡像である。
【図８】本発明の実施例２によって製造した放熱板材の厚さ方向のカバー層の断面に対する走査電子顕微鏡像である。
【図９】本発明の実施例２によって製造した放熱板材のＣｕ−黒鉛複合相の界面に対する透過電子顕微鏡像である。
【図１０】本発明の実施例３によって製造した放熱板材のＣｕ−黒鉛複合相の界面に対する透過電子顕微鏡像である。
【図１１】黒鉛粉末の含有量（体積％）と焼結温度（℃）による熱伝導度の変化を測定した結果を示した図である。
【図１２】黒鉛粉末の含有量（体積％）と焼結温度（℃）による熱膨張係数の変化を測定した結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、以下に例示する本発明の実施例は、様々な別の形態で変形されることができ、本発明の範囲が、以下に詳述する実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
【００１２】
本発明による放熱板材（高出力素子用放熱板材）は、図１に示されたように、コア層と、前記コア層の上、下面に積層して形成された２つのカバー層とを含み、前記コア層は、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に炭素相が複合化された複合材料からなり、前記カバー層は、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなり、前記コア層において、黒鉛相は、その長尺な長軸が厚さ方向に平行に配向されており、Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）と炭素相の間の界面の少なくとも一部には、Ｃｕ−Ｃの拡散領域が１〜３０ｎｍの厚さで形成されており、前記放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３００Ｗ／ｍＫ以上であり、その垂直な方向の熱膨張係数は、９×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、黒鉛相が厚さ方向に平行に配向されたとは、黒鉛相粒子の長尺な長軸方向と厚さ方向の間の平均角度が４５°以内、好ましくは３０°以内、より好ましくは２０°以内と配列された状態、すなわち、黒鉛粒子が、長手方向が放熱板材の厚さ方向に向かうように配列されていることを意味する。
【００１４】
また、本発明による放熱板材の厚さ方向の熱伝導度は、３５０Ｗ／ｍＫ以上であることがより好ましい。
【００１５】
また、図２に示されたように、前記カバー層は、２層以上の積層構造からなり得、前記コア層に隣接して形成される第１の層は、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなり、前記コア層に接していない第２の層は、Ｃｕからなり得る。
【００１６】
また、前記Ｍｏ−Ｃｕ合金は、合金の全重量に対して、１０〜５５重量％のＣｕを含む合金であってもよい。
【００１７】
また、前記Ｃｕは、純Ｃｕ（不可避的な不純物を含む）またはＣｕ以外の合金元素を２０重量％以下で含むＣｕ合金であってもよい。
【００１８】
また、前記コア層において、Ｃｕと炭素相との界面の少なくとも一部または全部には、ＣｕとＣが拡散されて形成されたＣｕ−Ｃの拡散領域が存在しており、この拡散領域は、界面に垂直な方向に１〜３０ｎｍの幅で形成されることが好ましいが、これは、拡散領域の幅が１ｎｍ未満である場合、放熱板材の熱伝導度に劣り、拡散領域の幅が３０ｎｍを超える場合、拡散された原子が抜けた部分に空いた空間が集まって形成する欠陥が形成され、熱伝導度に劣るからである。熱伝導度および熱膨張係数の側面でより好ましいＣｕ−Ｃ拡散領域の幅は、５〜２０ｎｍである。
【００１９】
また、前記炭素相（ｃａｒｂｏｎ  ｐｈａｓｅ）は、黒鉛、ダイヤモンド、グラフェン、またはダイヤモンドライクフィルム（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ  ｆｉｌｍ）を含んでいてもよく、前記炭素相の形状は、完全に板状に形成された粒子はもちろん、鱗片状やフレーク状のように所定の面を備えた不規則な形状の粒子からなっていてもよい。
【００２０】
また、前記Ｃｕ基地（ｍａｔｒｉｘ）に複合化された炭素相は、全複合相の体積中、４５〜７０体積％であることが好ましいが、炭素相の混合量が４５体積％未満である場合、全放熱板材の面方向の熱膨張係数を９×１０−６／Ｋ以下と低く具現することが難しく、炭素相の混合量が７０体積％を超える場合、カバー層と接合する時に接着力が低くなる問題が生じるためである。より好ましい炭素相の混合量は、５０〜６５体積％である。
【００２１】
また、前記コア層の厚さは、好ましくは、全放熱板材の厚さの６０〜９０％であってもよいが、コア層の厚さが全放熱板材の厚さの６０％未満である場合、熱伝導度が３００Ｗ／ｍｋ以下と小さく示され、９０％を超える場合、熱膨張係数が９．５×１０−６／Ｋ以上と過剰に大きく示されるためである。
【００２２】
また、前記コア層の一側に形成されたカバー層がＣｕとＭｏ−Ｃｕ合金の２層構造からなる場合、Ｃｕからなる層の厚さは、全放熱板材の厚さの５〜１０％であることが好ましいが、Ｃｕからなる層の厚さが全放熱板材の厚さの５％未満である場合、表面部において熱拡散が低くなって、表面部にＧａＮまたはＧａＡｓのようなチップを実装した時に、表面不安定性を引き起こすことがあり、１０％を超える場合は、面方向の熱膨張係数が９．０×１０−６／Ｋ以上と大きく示されるためである。また、前記コア層の一側に形成されたＭｏ−Ｃｕ合金からなる層の好ましい厚さも、全放熱板材の厚さの５〜１０％であるが、Ｍｏ−Ｃｕ合金からなる層の厚さが全放熱板材の厚さの５％未満である場合、面方向の熱膨張係数が９．０×１０−６／Ｋ以上と過剰に大きく示され、１０％を超える場合は、垂直方向の熱伝導度が３００Ｗ／ｍｋ以下と小さく示されるためである。
【００２３】
また、上記放熱板材を製作するための方法として、（ａ）Ｍｏ−Ｃｕ合金からなる板で第１の層を形成するステップ、（ｂ）前記第１の層上に垂直配向された炭素相とＣｕから構成された板で第２の層を形成するステップ、（ｃ）前記第２の層上にＭｏ−Ｃｕ合金板で第３の層を形成するステップ、および、（ｄ）積層された素材を接合するステップ、を含む方法を用いることができる。
【００２４】
また、２層以上の積層構造からなるカバー層を含む放熱板材を作製するために、（ａ）Ｃｕ板で第１の層を形成するステップ、（ｂ）Ｍｏ−Ｃｕ板で第２の層を形成するステップ、（ｃ）垂直配向された炭素相とＣｕから構成された板で第３の層を形成するステップ、（ｄ）前記第３の層上にＭｏ−Ｃｕ板で第４の層を形成するステップ、（ｅ）Ｃｕ板で第５の層を形成するステップ、および、（ｆ）積層された素材を接合するステップ、を含む方法を用いることができる。
【００２５】
また、前記第１の層ないし第３の層または第１の層ないし第５の層からなる単位板材を多層で積層して接合した後、各単位板材を分離する方法を通じて工程の効率性を高めることができる。
【００２６】
単位板材を分離する方法は、前記（ａ）ないし（ｃ）ステップを複数回繰り返して行って積層工程を施した後、前記（ｄ）工程を行い、前記第１の層ないし第３の層が含まれるように切断する工程を通じて行うことができる。この時、前記切断工程は、ワイヤーソー（ｗｉｒｅ  ｓａｗ）のような装備を使って行われるが、必ずしもこれに制限されるものではなく、本発明によって製造した板材を切断し得る方法であれば、制限なく用いることができる。
【００２７】
同様に、２層以上の積層構造からなるカバー層を含む放熱板材の場合には、前記（ａ）ないし（ｅ）ステップの後、切断工程を通じて単位板材が分離されるようにすることができる。
【００２８】
また、単位板材を分離する別の方法としては、前記（ａ）ないし（ｃ）ステップ後に炭素層を積層した後、（ａ）ないし（ｃ）ステップを繰り返して行い、前記（ｄ）ステップを通じて焼結した後、焼結しない炭素層を通じて単位板材が分離されるようにすることができる。
【００２９】
同様に、２層以上の積層構造からなるカバー層を含む放熱板材の場合には、前記（ａ）ないし（ｅ）ステップ後に炭素層を積層した後、（ａ）ないし（ｅ）ステップを繰り返して行い、前記（ｆ）ステップを通じて焼結した後、焼結しない炭素層を通じて単位板材が分離されるようにすることができる。
【００３０】
このように、炭素層を用いた工程は、精密加工が求められる切断工程なしに、板材を作製することができるため、単位板材の製造時間を低減することができる利点がある。
【００３１】
前記炭素層は、例えば、黒鉛粉末と黒鉛粉末を成形するための有機物質からなるバインダの混合物からなっていてもよい。
【００３２】
前記単一カバー層を備えた放熱板材における第１の層および第３の層、また、２層以上の積層構造からなるカバー層を含む放熱板材における第１の層、第２の層、第４の層および第５の層は、当該金属板材を積層する方法を用いることもでき、或いは、当該金属板材をメッキ方式で形成することもできる。
【００３３】
前記接合ステップにおいて、接合温度は、８００℃〜１０５０℃であることが好ましいが、接合温度が８００℃未満の場合、不充分な接合が進められて熱伝導度が低く示されるか、或いはカバー層とコア層の間の結合力が弱くなる問題が発生する可能性があり、１０５０℃を超える場合、接合過程においてコア層内に取り込まれたＣｕの溶融が生じてＣｕと炭素相が分離され、或いは凝固の際に急激な収縮を引き起こして割れ等のような欠陥を形成してしまい、熱伝導度の急激な低下をもたらすことがあるからである。より好ましい接合温度は、９１０〜９７０℃である。
【００３４】
前記コア層を形成するために用いられる炭素相粉末の表面には、Ｃｕコーティング層が形成されていることが好ましいが、Ｃｕコーティング層は、例えばメッキと同一の方法で形成することができ、このようにＣｕがコーティングされた炭素相粉末は、焼結後、複合相においてＣｕ基地と炭素相の間の健全な界面を形成するために好ましいだけでなく、コア層とカバー層の結合力の維持にも役立って、放熱板材の使用過程で、コア層とカバー層の間の界面において剥がれが発生することを防止する役割をする。
【実施例１】
【００３５】
モールドに、厚さ５０μｍ〜１００μｍのＭｏ−Ｃｕ（Ｍｏ６４重量％−Ｃｕ３６重量％）板を装入して板状の第１の層を形成した。
【００３６】
さらに、Ｃｕと黒鉛相からなる第２の層を形成するが、本発明の実施例１では、第２の層を、Ｃｕメッキされた黒鉛粉末を焼結した板状を用いて形成した。
【００３７】
黒鉛粉末は、図３に示されたような鱗片状からなり、平均粒度が約１３０μｍである粉末を用いた。この黒鉛粉末の表面には、焼結を通じてコア層を作成した時、黒鉛粉末とＣｕ基地の間の界面結合力の向上と、コア層の上、下部に位置したカバー層との結合力を向上させるために、Ｃｕコーティング層を形成した。
【００３８】
Ｃｕコーティング層の形成には、無電解メッキ法を用いた。具体的に、黒鉛粉末を３００〜４００℃で３０〜９０分程度加熱して黒鉛粉末の活性化処理を行い、このように活性化処理された黒鉛粉末に、Ｃｕ塗膜がうまく形成されるように、黒鉛粉末の全重量に対比して３重量％の氷酢酸を添加した後、黒鉛粉末と氷酢酸混合物２０重量％、ＣｕＳＯ４７０重量％、水１０重量％を混合してスラリーを作製する。このように作製したスラリーに、置換溶剤としてＣｕ塩水溶液の金属よりも電気陰性度の大きい、サイズ０．７のＺｎ、Ｆｅ、Ａｌ顆粒物を、前記スラリー重量に対して約２０重量％程度となるように添加した後、常温で２５ｒｐｍ程度の速度で攪拌して、黒鉛粉末の表面にＣｕメッキ層が形成されるようにした。さらに、無電解メッキが完了したＣｕコーティング黒鉛粉末が大気中で腐食することを防止するために不動態化を施したが、このためにＣｕコーティング黒鉛粉末を、蒸溜水、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ３ＰＯ４、酒石酸の重量比が７５：１０：１０：５で混合された溶液に２０分間浸漬する。最後に、黒鉛粉末表面に残存する酸を除去するために、水洗した後、大気中で５０〜６０℃で加熱乾燥することにより、黒鉛粉末の表面にＣｕが約５０体積％程度でコーティングされた黒鉛粉末を製造した。
【００３９】
このようにＣｕがコーティングされた黒鉛粉末を、通電加圧焼結法を通じて、９５０℃温度、５０ＭＰａ圧力で焼結を進め、厚さ７〜１０ｍｍの板状のバルク材を製造した。製造された板状を１０層で積層して、接合を進め、厚さ１００ｍｍのバルク材を製造した。製造されたバルク材は、マルチワイヤーソー（ｍｕｌｔｉ−ｗｉｒｅ  ｓａｗ）を介して縦方向、１ｍｍの厚さで切断して厚さ１ｍｍの板状として製造しており、この板状の場合、鱗片状の黒鉛粒子が板状の厚さ方向に平行に配向された状態でなり、このＣｕ黒鉛複合材板として第２の層を形成した。
【００４０】
さらに、金型に、厚さ１００μｍ〜１５０μｍのＭｏ−Ｃｕ（Ｍｏ６４重量％−Ｃｕ３６重量％）板を装入して板状の第３の層を形成した。
【００４１】
上記のような単位板材の積層工程を繰り返して、第１の層〜第３の層が１０回以上繰り返して積層された板を得た。
【００４２】
このように得た板を、約５０ＭＰａの圧力で加圧し、９５０℃で加熱する加圧接合を１〜２時間行って、１〜３層が多層で接合された最終のバルク材を得た。
【００４３】
このように得たバルク材を、ダイヤモンドワイヤー切断機を用いて、単位板材の境界部を切断することにより、板材の真ん中（すなわち、コア層）にはＣｕと黒鉛粒子の複合相が形成され、コア層の上、下面にはＭｏ−Ｃｕのカバー層が形成された複合板材を得た。
【実施例２】
【００４４】
モールドに、厚さ１００μｍ〜１５０μｍのＣｕ板を装入した板状の第１の層を形成した。
【００４５】
さらに、第１の層上に厚さ５０μｍ〜１００μｍのＭｏ−Ｃｕ（Ｍｏ６４重量％−Ｃｕ３６重量％）板を装入して板状の第２の層を形成した。
【００４６】
さらに、Ｃｕと黒鉛相からなる第３の層を形成するが、第３の層は、Ｃｕがメッキされた黒鉛粉末を発明の実施例１と同じ方法で製造した板状を用いて形成した。
【００４７】
さらに、第３の層上に厚さ５０μｍ〜１００μｍのＭｏ−Ｃｕ（Ｍｏ６４重量％−Ｃｕ３６重量％）板を装入して、板状の第４の層を形成した。
【００４８】
さらに、第４の層上に、厚さ１００μｍ〜１５０μｍのＣｕ板を装入して板状の第５の層を形成した。
【００４９】
本発明の実施例２では、Ｍｏ−Ｃｕ板材やＣｕ板材を用いて積層して使用したが、Ｍｏ−Ｃｕ粉末またはＣｕ粉末を圧縮成形して、第１の層、第２の層、第４の層、第５の層を形成することもできる。
【００５０】
上記のような単位板材の積層工程を繰り返して、第１の層〜第５の層が５回以上繰り返して積層された板状の放熱板材を得た。
【００５１】
このように得た板を、約５０ＭＰａの圧力で加圧し、９５０℃で加熱する加圧接合を１〜２時間行い、１〜５層が多層で接合された最終バルク材を得た。
【００５２】
このように得たバルク材にダイヤモンドワイヤー切断機を用いて、単位板材の境界部を切断することにより、板材の真ん中（すなわち、コア層）にはＣｕと黒鉛粒子の複合相が形成され、コア層の上、下面には２層構造（Ｍｏ−Ｃｕ合金／Ｃｕ）のカバー層が形成された複合板材を得た。
【実施例３】
【００５３】
焼結工程を除いた残りの工程は、本発明の実施例２と同様に行い、コア素材の焼結工程は、焼結温度９００℃、加圧力８０ＭＰａ、焼結時間２０分で行って、金属基複合板材を得た。
【実施例４】
【００５４】
焼結工程を除いた残りの工程は、本発明の実施例２と同様に行い、コア素材の焼結工程は、焼結温度８５０℃、加圧力８０ＭＰａ、焼結時間２０分で行って、金属基複合板材を得た。
【００５５】
図４は、本発明の実施例１によって製造した放熱板材の厚さ方向の断面に対する走査電子顕微鏡像である。
【００５６】
図４に示されたように、本発明の実施例１によって製造された放熱板材の表面および下面の表面から約１００μｍの深さまでは、黒鉛粒子相のないＭｏ−Ｃｕ合金からなるカバー層（図面には、薄いグレイ色で示された部分）が形成されており、真ん中には、Ｃｕ基地内に黒鉛粒子が分布する複合相が、約１ｍｍの厚さで形成されている。また、図５は、Ｃｕ−黒鉛複合相の像であって、黒鉛粒子の長手方向が板材の厚さ方向に対して平行に配列されていることが確認される。
【００５７】
図６は、本発明の実施例１よって製造した放熱板材のＣｕ−黒鉛複合層の界面に対する透過電子顕微鏡像である。
【００５８】
図６に示されたように、複合相に存在するＣｕ−黒鉛粒子の界面には、Ｃｕと炭素が拡散された領域が形成されており、この拡散領域は、界面に対して垂直に約１０ｎｍの幅で形成されていることがわかる。また、実施例２にも、実施例１と同様に、拡散領域が約１０ｎｍの幅で形成されることが観察された。
【００５９】
図７に示されたように、本発明の実施例２によって製造された放熱板材の表面および下面の表面から約５０μｍ〜１００μｍの深さまでは、黒鉛粒子相が存在しないＣｕからなる領域で形成されており、Ｃｕからなる領域の下方には、約５０μｍ〜１００μｍの厚さのＭｏ−Ｃｕで形成された領域が形成されており、中央には、Ｃｕ−Ｃ複合層が形成された構造で形成されている。
【００６０】
図８は、本発明の実施例２によって製造された放熱板材のカバー層の構造がより詳細に示されている。図７と同様に、そのカバー層は、ＣｕとＣｕ−Ｍｏ複合カバー層から形成されている。
【００６１】
図９は、本発明の実施例２によって製造された放熱板材のＣｕ−黒鉛複合層の界面に対する透過電子顕微鏡像である。図８に示されたように、複合相に存在するＣｕ−黒鉛粒子の界面には、Ｃｕと炭素が拡散された領域が形成されていることがわかる。
【００６２】
図１０は、実施例３によって製造した放熱板材のＣｕ−黒鉛複合層の界面に対する透過電子顕微鏡像である。
【００６３】
図１０に示されたように、実施例３によって製造されたＣｕ−黒鉛粒子の界面には、Ｃｕと炭素が１ｎｍ以上の幅で拡散された領域が観察されない。また、実施例４による放熱板材においても、Ｃｕ−黒鉛粒子の界面には、Ｃｕと炭素が拡散された領域が１ｎｍ以上の幅に形成されたものが観察されなかった。
【００６４】
下記の表１は、本発明の実施例１〜４によって製造された放熱板材の厚さ方向の熱伝導度およびそれと垂直な面方向の熱膨張係数を示したものである。
【００６５】
【表１】
2019502251.tif 000003
【００６６】
表１に示されたように、本発明の実施例１および２は、熱伝導度が３５０Ｗ／ｍＫ以上を示しており、高出力電子素子において発生する多くの熱の放熱が可能であるだけでなく、熱膨張係数もまた９×１０−６／Ｋ以下と低く維持することができ、半導体素子を製造する工程に必須的なセラミックス素材との接合工程における撓みや破損の発生を防ぐことができる。
【００６７】
一方、実施例３および４の場合、Ｃｕ−黒鉛粒子複合相においてＣｕ−Ｃ間の拡散相がほとんど観察されないが、この影響で熱伝導度が３４０Ｗ／ｍＫ程度の水準であって実施例１および２に比べて低いものの、熱膨張係数は、９×１０−６／Ｋ以下に維持されて、適切な放熱性と共にセラミックス素材との接合に必要な低い熱膨張係数を満たしている。すなわち、実施例３および４は、実施例１および２に比べて低い程度の放熱性が求められるセラミックス素材との接合に好適に用いることができる。
【００６８】
図１１および図１２は、黒鉛粉末の含有量と焼結温度による熱伝導度と熱膨張係数の変化をグラフで示した図である。
【００６９】
図１０および図１１から確認されるように、数百ワット級のパワートランジスタにおいて求められる高い熱伝導度と低い熱膨張係数を満たすためには、黒鉛含有量は、少なくとも５０体積％以上が好ましく、焼結温度は、９００℃を超えて行われることがより好適であることがわかる。
【００７０】
また、本発明の実施例１ないし４による放熱板材は、Ｃｕ−黒鉛粒子複合相を黒鉛粒子にＣｕをコーティングしたものを用いることにより、黒鉛粒子とＣｕ母材との界面結合力が高く、コア層と金属からなるカバー層の間の結合力も高く維持することができ、使用過程において、コア層が上、下部に存在するカバー層から分離される現象も防ぐことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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